江苏淮河生态经济带地埋管地源热泵适宜性及资源量评价

为确保江苏淮河生态经济带浅层地热能资源科学、合理开发,根据研究区地质条件与现场热响应试验资料,采用TOPSIS—熵权法进行了地埋管地源热泵适宜性评价,并计算了研究区100m以浅浅层地热能资源量。结果表明,研究区内地埋管地源热泵适宜性好与适宜性较好区面积为21 421.72 km~2;适宜性中等区面积为27 271.73 km~2;适宜性较差与适宜性差区面积为14 695.89 km~2;100m以浅热容量为1.68×10~(16)kJ/℃,夏季总换热功率为2.41×10~8 kW,冬季总换热功率为1.93×10~(8 )kW,评价结果对研究区浅层地热能开发利用具一定指导意义。     

不同土壤类型与含水率对水平埋管换热性能影响数值分析

为揭示地源热泵系统水平埋管换热器在不同土壤类型中的换热性能,基于土壤毛管水理论知识,结合数值模拟的研究手段,探讨了蓄能不同类型土体内(砂土、壤土、黏土)三相组成的差异对水平埋管换热器换热特性的影响规律。结果表明,在通入308.15 K制冷工况下,水平管在壤土中的出水温度降低至303.3 K,进出口水温差为4.9 K,埋管单位延米换热量37.1 W/m,水平管在壤土中的制冷换热效益显著;不同土壤(砂土、壤土、黏土)在经历相同制冷周期下,水平管的换热过程对壤土的温度场分布影响最小,管体在壤土中运行时热堆积风险系数最低。研究表明,水平管与土壤的换热性能同时受土壤比热容与土壤导热系数的影响,提高土壤导热系数比提高土壤比热容获得的效益更加显著。可以通过压实回填、减少土壤孔隙率、提高固相回填材料导热系数、加大布管深度以提高回填材料含水率等方法来强化埋管的换热性能。      

地下水渗流对地埋管换热影响研究

为研究地下水渗流对地埋管换热的影响,搭建地埋管换热研究试验台,模拟不同地下水流速(0 m/a、100 m/a、200 m/a)条件下的地埋管换热器,通过试验数据分析得出:随着地下水流速的加大,将更多的热量带到下游,地埋管换热器的换热量和综合导热系数逐渐增加,对上、下游温度变化作用更明显,水流方向的热影响半径依次变大。地埋管换热器工程建设中应注重前期水文地质条件的勘察,对整个地源热泵系统工程能长期稳定运行起到关键作用。     

路面下水平地埋管热响应试验与数值模拟研究

近年来,水平式地埋管换热器尤其是路面下水平式地埋管换热器逐步受到国内外学者关注。路面下水平式地埋管换热器利用道路路基施工便利进行安装,可有效节约地埋管换热器前期安装中的钻孔或开挖沟槽费用,且公路作为城镇基础设施,仅中国每年新增公路里程就达100 000 km以上,因此该方案应用潜力较大。为了探究路面下水平地埋管换热器的热扩散半径以及气温对其换热能力的影响,本文采用GeoCube热响应试验测试仪,对路面下埋深0.5 m的水平串联式地埋管换热器进行了两次加热功率分别为4 kW和6 kW的现场常规热响应试验,并基于4 kW热响应试验参数利用COMSOL软件建立了路面下水平串联式地埋管换热器3D数值模型。研究结果表明:气温波动对路面下地埋管换热器换热能力有显著不利影响。在热响应试验中,该影响会随着加热功率的增大而减小。路面下水平串联式地埋管换热器热扩散半径确定为小于0.75 m,建议地埋管安装间距大于1.5 m以防止热干扰。所建数值模型模拟精度良好,可用于路面下水平串联式地埋管换热器换热过程模拟。     

河南省主要城市浅层地温能特征及开发利用建议

河南省浅层地温能资源具有分布广泛、资源量丰富、开发利用方便等特点,发展前景广阔。通过对河南省主要城市的地质、水文地质条件和岩土体结构特征等浅层地温能赋存特征的分析,采用数理统计和对比分析等综合研究的方法,对比研究了不同地貌类型城市200m以浅的岩土体热物性特征、浅层地温场分布特征和岩土热响应特征等的异同及其分布与变化规律。结果显示:河南省主要城市浅层地温能的赋存层位主要为第四系及新近系上部的各类松散堆积物,这些松散的堆积物和储存于其孔隙内的地下水为浅层地温能的载体;岩土导热系数会随着孔隙率的增加而减小,随岩性颗粒变粗而增大;城市地层综合导热系数和换热能力与地下水径流条件呈正相关;位于盆地和山前地带水文地质条件优越的城市或地段,浅层地温能开发利用宜采用地下水换热方式,松散堆积物厚度较大且以细粒相沉积为主的城市或地段,宜采用竖直地埋管换热方式。     

能源桩桩身加筋混凝土热-力学性质试验研究

能源桩是将地埋管换热器置于建筑桩基础中来实现地下换热的一种新型的地源热泵技术。然而,不同季节运行条件下,冷热变化导致的能源桩桩身混凝土的膨胀和收缩会影响能源桩的持续使用甚至危及建筑的安全。因此,寻找到一种热力学性能较好的桩身混凝土对能源桩技术安全使用和推广至关重要。探讨了桩身素混凝土和掺入不同含量的钢纤维,聚丙烯纤维桩身加筋混凝土热力学特性。导热系数测试表明,钢纤维的掺入能提高能源桩桩身混凝土的导热系数,聚丙烯纤维的掺入降低了能源桩桩身混凝土的导热系数。钢纤维掺入量为1.3%时,导热系数最大,为2.44 W/m·K;热力学梯级加温试验表明,能源桩桩身混凝土掺入钢纤维,聚丙烯纤维均能有效减小应变,钢纤维最大应变减少量为62.43%,聚丙烯纤维最大应变减少量为61.11%;热力学全过程试验表明,钢纤维能有效减少制冷收缩应变,全过程中应变最小。综合对比3种能源桩桩身混凝土热物性参数及热-力学特性可知钢纤维加筋混凝土更适合作为能源桩桩身材料。     

冻土导热系数热流计法模拟试验及成果分析

导热系数表征物体内部较热部分向较冷部分传递热量的能力,冻土导热系数是冻土区天然温度场变化研究和土木建筑热工计算中的重要指标.介绍了冻土导热系数热流计法测试的仪器设备和试验方法,对取自大兴安岭多年冻土带的5种典型扰动土料,分别进行冻融两种状态下热流计法模拟试验.通过回归分析,得到估计这5种冻土导热系数的经验公式,同时分析...     

华北平原主要城市浅层岩土综合导热能力研究——基于现场热响应试验分析

现场热响应试验方法可以获得换热深度内岩土体热物性参数的平均值,能够较真实地模拟地源热泵的实际运行情况,在地源热泵工程勘查设计阶段得到了广泛的应用。本文基于华北平原89个钻孔的热响应试验数据,对地表以下200 m深度内岩土体的综合导热能力进行分析,并对影响综合热导率的因素进行了探讨。结果表明,华北地区综合热导率大部分处于1. 50~2. 16 W/(m·K)之间（25%<累积概率<75%）。在富水性较好、岩石颗粒粗、地下水径流速度较快的区域,地埋管换热器的换热效果明显高于富水性差、岩石颗粒细、地下水径流速度慢的地区。地层岩性、含水率特征和地下水径流条件是影响岩土体综合热导率的主要因素。其中200m深度以内不同地区岩土体的岩性组成各不相同、地下水位埋深不同,是造成综合热导率差异的重要影响因素,地下水径流对岩土体的综合导热能力有促进作用。用无量纲Peclet值（Pe）判断地下水流动对换热过程影响的大小,在0. 28＜Pe＜0. 84的情况下,Pe值增加47%,岩土体综合导热能力增加7. 56%。     

基于现场热响应测试方法的地下岩土热物性分析

目前获取导热系数的主要方法是现场热响应试验,但该方法缺乏统一的技术标准,导致计算结果可比较性差,难以应用。笔者开展了不同热响应试验设备的原位热物性测试系列试验,分析了测试与数据处理方法对测试结果的影响,探讨了试验过程中需要注意的问题。结果显示：为减少试验误差,两次热响应试验测试的时间间隔不应少于10 d;应尽量避免循环水与岩土介质以外的其他介质产生热量交换;对于恒热流热响应试验,导热系数值与舍弃时间（1.0~12.0 h）成正相关关系;而对于定进回循环水温差的热响应试验,导热系数值与舍弃时间（0.0~12.0 h）成负相关关系;舍弃时间大于12.0 h时,导热系数变化趋于稳定。按统一标准舍弃前12.0 h的测试数据进行导热系数计算,6家单位的导热系数计算值都在2.2～2.8 W/(m·℃)范围内,测试结果合理可靠。     

浅层岩土室内、外热物性测试的相关性

对于浅层岩土热物性参数测试中常用的实验室和现场热响应试验方法,结合上海某工程的实际情况,提出一种基于室内试验的岩土综合热物性参数确定方法。首先,根据室内、外试验测试结果的差异,选取地层厚度、含水率、密度及渗透系数作为影响二者热物性参数测试差异的主要因素,使用层次分析法确定各影响因素的权值,并按权值大小修正室内热物性参数测试结果。然后,分别模拟室外现场热响应试验和修正后的室内热物性参数以及实际地层的传热过程,得出三者在热量传导能力之间的差距分别为1.2%、1.1%及2.3%。最后,提出埋管深度和导热系数的乘积可代表岩土层的换热能力,且计算出修正后的室内热物性参数对应的均一导热系数与现场热响应试验测出的综合导热系数分别为1.832 W/(m·℃)和1.778 W/(m·℃)。     

秭归地区陆源碎屑岩导热系数试验研究

岩土体的导热系数是重要的物理参数,在岩土工程中有着广泛应用。秭归地区的黄陵背斜西翼是我国南方著名的标准地层剖面,以秭归地区黄陵背斜西翼岩层陆源碎屑岩为研究对象开展导热系数试验研究,可为我国南方地区开展地热能开发、隧道工程及矿产开采等科研工作提供重要的参考依据。探究了各岩层岩石导热系数与岩石颗粒组分、胶结物之间的变化规律及差异性。试验结果表明,黄陵背斜西翼陆源碎屑岩导热系数差异较大,在0.72～4.47 W/(m·K)之间,且导热系数大小为石英砂岩粉砂岩泥岩。陆源碎屑岩导热系数受岩石岩性、颗粒组分、粒径、胶结类型及含水状态的影响较大。     

导热与导热-渗流作用下浅层地能热量输运数值模拟

现用于浅层地能热量输运的地下传热模型忽略了地下水迁移对传热的影响。依据TOUGHRE-ACT模拟程序中质量与能量守恒原理,建立了多相流热渗耦合条件下地下热能输运数学模型。在此基础上建立了换热井群模型,模拟了导热及渗流作用下换热井群夏季制冷工况的瞬态温度场。模拟结果显示,地下水渗流流速及方向对热量传输影响较大。渗流流速为0.1 m/s时,温度场的瞬态特征显著;渗流流速达到0.5 m/s以上时,温度场的瞬态特征逐渐消失。渗流流速的方向性使换热井群温度场分布也呈现出显著的方向性,在布置换热井群时应在平行地下水渗流方向上增加井间距,而在垂直于地下水渗流方向上减小井间距。2种传热作用相比:在导热作用下换热井群产生热堆积,温度场整场接近饱和;在渗流作用下各换热井的能效系数在20 d后基本处于稳定状态。     

双U型地埋管换热器换热性能试验研究

双U型地埋管换热器(DUBTHE)在实际应用中易出现管路交叉,引起热短路,造成换热性能降低,直接影响浅层地源热泵系统的运行效率。以西安某浅层地源热泵项目为工程背景,基于无限长线热源理论和斜率法,通过现场岩土热响应试验、不同测温法测温试验,研究了岩土初始平均温度、导热系数和体积热容,及管卡间距对DUBTHE换热性能的影响。结果表明：多点式测温线缆测得的岩土初始平均温度为17.08℃,更接近实际地层温度。该地层的岩土综合导热系数和综合体积热容分别为1.65 W/(m·K)、2.81×10⁶ J/(m³·K)。DN25 DUBTHE的夏、冬季单位延米换热量随着管卡间距减小而增加,且增速随管卡间距的减小先增大后减小。当管卡间距分别为1、2、3、4 m时,DN25 DUBTHE的夏季单位延米换热量较无管卡分别提高了21.03%、19.48%、15.16%、3.92%;DN25 DUBTHE的冬季单位延米换热量较无管卡分别提高了20.83%、19.48%、14.94%、3.79%。工程中最优的管卡布置方式为2 m或3 m管卡间距的DN25 DUBTHE。...     

天津滨海新区中新生态城地热资源赋存条件探讨

天津滨海新区中新生态城位于Ⅳ级构造单元北塘凹陷的中部,有明化镇组、馆陶组和东营组三个中深部热储层,地温梯度2.4～2.9 ℃/100 m,具有较好的中深部地热资源赋存条件,通过勘查初步估计深部中低温地热资源可开采量8.3×105 m3/a.根据中新生态城的工程地质和水文地质条件分析,该区浅层地热资源开发比较适合利用地埋管地源热泵系统,经过调查评价中新生态城可循环利用的浅层地热能可达1.69×105 kW.     

基于叠加法的陕西省典型地貌单元岩土导热系数分析

近年来,浅层地热能受到广泛关注,但由于在开发利用过程中对地层导热性能分析不足,现有开发利用项目失败率较高。为解决这一问题,对陕西省不同地貌单元已开展的46组热响应试验结果进行整理,以线热源模型为基础,采用叠加法对陕西省典型地貌单元的导热系数进行了分析统计。结果表明: 山间盆地、沙漠高原和断陷盆地3种地貌单元的导热能力依次减小; 在同一地貌单元中,第四系黄土覆盖层越厚,钻孔的导热能力越差; 黄土塬地区导热系数大小差距较大,可进一步深入研究该地貌单元内导热系数的影响因素。通过对不同地貌单元岩土导热系数分布特征的研究,提出了各地区浅层地热能开发利用的相关建议,从而为进一步高效、高质开发浅层地热能提供思路和技术支持。     

浅层地热能地下换热系统适宜性评价与优化设计——以郑州市浅层地热能示范工程为例

地热资源的开发利用对减少CO₂排放和抑制全球气候变化能起到积极的作用。目前,国内浅层地热能地下换热主要有地下水换热系统和地埋管换热系统2种方式,其共同优点是能源利用系数高、安全稳定、零污染排放等,但在换热效率、开发利用条件、空间占用等方面各有利弊。本文叙述了浅层地热能地下换热系统适宜性评价指标,结合郑州市浅层地热能示范工程建设项目,分别进行了抽水与回灌试验、岩土热物性参数测试、地层热响应试验等现场试验,对浅层地热能2种换热方式的适宜性进行了分析比较,得出建设区岩土具有较高的导热系数和容积比热容,有利于热量的传导与保持;但区域水位埋深浅,现场试验回灌量仅107.37 m³/d,回灌能力较差。相比之后,优化设计并选择了更适用于建设区浅层地热能开发利用的地下埋管换热系统。     

基于叠加法的陕西省典型地貌单元岩土导热系数分析

近年来,浅层地热能受到广泛关注,但由于在开发利用过程中对地层导热性能分析不足,现有开发利用项目失败率较高。为解决这一问题,对陕西省不同地貌单元已开展的46组热响应试验结果进行整理,以线热源模型为基础,采用叠加法对陕西省典型地貌单元的导热系数进行了分析统计。结果表明:山间盆地、沙漠高原和断陷盆地3种地貌单元的导热能力依次减小;在同一地貌单元中,第四系黄土覆盖层越厚,钻孔的导热能力越差;黄土塬地区导热系数大小差距较大,可进一步深入研究该地貌单元内导热系数的影响因素。通过对不同地貌单元岩土导热系数分布特征的研究,提出了各地区浅层地热能开发利用的相关建议,从而为进一步高效、高质开发浅层地热能提供思路和技术支持。     

填料对地热井固井材料导热性能的影响

在地热井固井水泥中加入导热填料能够明显改善水泥石导热性能,提升地热井取热效果。在总结导热路径理论和紧密堆积理论的基础上,通过试验研究不同填料种类、粒径及掺量对固井水泥导热性能的影响。试验结果表明:较其他种类填料,石墨对水泥石导热性能提升效果最好;石墨粒径越大对应水泥石导热系数越高。不同粒径的石墨混合,较单一粒径石墨对水泥石导热性能的提升效果更好,其最优混合配比为:石墨粒径为150 μm与100 μm,质量比为2:1。随着石墨掺量增加,固井材料的导热系数逐渐增大,但流动度和48 h抗压强度逐渐降低。参照固井相关规范,提出固井材料中石墨掺量应控制在9%左右为宜。研究成果为地热井高导热固井材料的制备提供借鉴。移动阅读      

贵州主要城市浅层地热能利用潜力评价

作为清洁、新型、可再生的绿色能源,浅层地热能对缓解城市节能、减排等问题有很大的帮助。为评价贵州省贵阳市、遵义市、兴义市、铜仁市、六盘水市、凯里市、都匀市、毕节市、安顺市及贵安新区10个地级市和国家级经济开发区的浅层地热能利用潜力,文章根据浅层地热能赋存环境调查、现场热响应试验及岩土体热物性测试结果等综合分析,计算出贵州主要城市地表以下100 m深度内的浅层地热能总热容量为35.20×1013kJ·℃-1,夏季换热功率为520.2×104kW,冬季换热功率为342.3×104kW;并在此基础上,评价了贵州主要城市浅层地热能的资源潜力,夏季可制冷面积为7.43×108 m2,冬季可供暖面积为6.51×108m2。      

成都市浅层地热能资源调查与评价

在“双碳”目标背景下,浅层地热能作为节能环保能源,其勘探开发及利用力度亟须加强。基于现场热响应测试、抽水及回灌试验以及岩土体热物性测试,获取水文地质和热物性参数,采用层次分析法开展成都市浅层地热能适宜性评价,估算浅层地热能热容量、换热功率、资源潜力及环境效益。实测成都市研究区200 m以浅平均地层温度在18.59~19.76℃,地层平均导热率介于1.89~3.12 W/m·℃。成都市浅层地热能适宜采用地下水和地埋管地源热泵方式开发,地下水地源热泵方式适宜区面积占16.36%,较适宜区面积占19.72%,不适宜面积占63.92%;除原芒硝矿采空区域外,研究区均适宜及较适宜地埋管地源热泵方式开发。浅层地热能夏季制冷换热功率总量为1.19×10⁷ kW,可制冷面积达1.98×10⁸ m²;冬季供暖换热功率总量为1.48×10⁷ kW,可供暖面积达1.57×10⁸ m²。据估算,成都市开发浅层地热能每年可节省标准煤169万吨,减排各类废气污染约425万吨,节能减排效果显著。